05 Биологическое окисление. Энергетический обмен

Биологическое
окисление.
Тканевое
дыхание
Окислительное фосфорилирование
создает условия для АТФ - универсальная форма энергии в живых
организмах
Цикл трикарбоновых кислот доставляет
НАДН и ФАДH2 к цепи транспорта электронов
Жирные
кислоты
Ацетил Co A
Пируват
Глюкоза
Аминокислоты
Коферменты НАДН и ФАДH2 образуются в
матриксе при:
(1) Окислительном декарбоксилировании
пирувата в ацетил CoA
(2) Аэробном окислении ацетил CoA в цикле
трикарбоновых кислот
(3) Окислении жирных кислот и
аминокислот
НАДH и ФАДH2 – энергетически богатые
молекулы потому что содержат пару
электронов, которые имеют высокий
трансферный потенциал
Электроны НАДН или ФАДH2 используются для
восстановления молекулярного кислорода к воде
Электроны от НАДН и ФАДH2 не
транспортируются прямо к O2, а
транспортируются через электронные
переносчики.
Восстановленая и окисленная формы НАД
Восстановленная и окисленная формы
ФАД
Транспорт электронов переносчиками приводит к
выкачиванию протонов из матрикса в
межмембранное пространство
В результате
перераспределения протонов
создается
градиент pH и
трансмембранный
электрический
потенциал,
который создает
протонную силу
АТФ синтезируется когда протоны проходят назад в
матрикс через ферментный комплекс АТФ синт азу
Окисление макромолекул и фосфорилирование
АДФ сопряжены прот онным градиент ом на
внут ренней мембране мит охондрий
Окислит ельное
фосфорилирование
- эт о процесс в
кот ором АТФ
образует ся в
результ ат е переноса
элект ронов из
НАДН или ФАДH2 к
O2 элект ронными
переносчиками.
ЦЕПЬ ТКАНЕВОГО ДЫХАНИЯ
Серия ферментных комплексов (переносчиков
электронов), вмонтированных во внутреннюю
митохондриальную мембрану, которые окисляют
НАДH2 и ФАДH2 и транспортируют электроны к
кислороду називается цепью тканевого дыхания.
Последовательность переносчиков электронов в
цепи тканевого дыхания
NADH
FMN
Fe-S
succinate FAD Fe-S
Co-Q
Fe-S
cyt b
cyt c1
cyt c
cyt a
cyt a3
O2
ЦЕПЬ ТКАНЕВОГО ДЫХАНИЯ
I
СОСТОИТ ИЗ 4 КОМПЛЕКСОВ
II
Компоненты электронтранспортной цепи
группируются во
внутренней мембране
митохондрий в
дыхательные комплексы.
FMN
IV
III
I
NADH
III
Fe-S
II
succinate FAD Fe-S
Co-Q
Fe-S
cyt b
IV
cyt c1
cyt c
cyt a
cyt a3
O2
Високоэнергетические электроны: редокс
потенциалы и изменения свободной энергии.
При окислительном фосфорилировании электрон
трансферный
потенциал
НАДН
или
ФАДH2
превращается в фосфорил трансферный потенциал
АТФ.
Фосфорил трансферний потенциал – это G°'
(энергия освобождается при гидролизе фосфатного
соединения). G°' для АТФ = -7.3 ккал/моль
Электрон трансферный потенциал E'o, (также
называется редокс потенциал, или окислительновосстановительный потенциал).
Энергия при транспорте электронов освобождается не
постоянно, а в определенном колличестве в каждом
комплексе.
26.8
Энергия, выделенная в трех точках в цепи собирается в
форме трансмембранного протонного градиента и
используется для синтеза АТФ
Комплексы I-IV
• Коферменты: убихинон (Q) и
цитохром служат связывающим
звеном между комплексами
ЭТЦ
• Комплекс IV восстанавливает
O2 к воде
Комплекс I (НАДH-убихинон оксидоредуктаза)
Состоит из:
- фермента НАДH дегидрогеназы (ФМН – прост. група)
- Fe -S.
Транспорт двух электронов от НАДH к коэнзиму Q
приводит к переносу 4 ионов Н из матрикса в
межмембранное пространство
Комплекс II (сукцинат-убихинон оксидоредуктаза)
Переносит электроны от сукцината к Co Q.
- фермент сукцинатдегидрогеназа
- Fe-S.
Сукцинат восстанавливает ФАД к ФАДH2.
Потом электроны проходят к Fe-S белкам, которые
восстанавливают Q к QH2
Комплекс II не создает протонный градиент.
Все электроны должны пройти через убихинон (Q).
Убихинон Q:
- жирорастворимая молекула,
- наименьшая и наиболее гидрофобная из всех
переносчиков,
- дифундирует в рамках липидного бислоя,
- принимает электроны от I и II комплексов и
передает их на комплекс III.
Комплекс III (убихинон-цитохром c оксидоредуктаза)
Переносит электроны от убихинона к цитохрому c.
Состоит из: цитохрома b, Fe-S кластеров и цит. c1.
Цитохромы – электрон-транспортные белки, которые
содержат гем, как простетическую группу (Fe2+  Fe3+).
Окисление одного QH2 сопровождается транслокацией
4 H+ через внутреннюю мембрану митохондрий. Два H+
из матрикса и два от QH2
Комплекс IV (цитохром аа3
оксидаза)
Переносит электроны с цитохрома c к O2.
Состоит из: цитохромов a и a3.
Катализирует 4-ох электронное восстановление
молекулярного кислорода (O2) к воде (H2O):
O2 + 4e- + 4H+  2H2O
Реактивные формы кислорода и защита от них
Если кислород принимает 4 электроны – образуются две
молекулы H2O
один электрон - супероксид анион (O2.-)
два электрона – пероксид (O22-).
O2.-, O22- и, особенно, их реактивные продукти являются
вредными для клеточных компонентов – реактивные формы
кислорода или ROS.
ЗАЩИТА
Супероксиддисмут аза
O2.- + O2.- + 2H+ = H2O2 + O2
кат алаза
H2O2 + H2O2 = O2 + 2 H2O
Антиоксидантные витамины: витамин E и C
Хемиосмотическая
теория
• Предложена Питером
Митчелом в 1960
(Нобелевская премия,
1978)
• Хемиосмотическая
теория: т ранспорт
элект ронов и синт ез
АТФ объеденены
прот онным градиент ом
через внут реннюю
мембрану
мит охондрий
+
+
+
-
-
-
+
+
+
-
1. Необходима интактная митохондриальная мембрана
2. Транспорт электронов через ЭТЦ генерирует прот онный
градиент
3. AТФ синт аза катализирует фосфорилирование АДФ в
реакции, которая обеспечивается прохождение Н+ через
внутреннюю мембрану в матрикс
Искусственная система, демонстрирует
хемиосмотичну теорию
Синтетические везикулы
содержат
бактериородопсин и
митохондриальную АТФ
синтазу.
Бактериородопсин –
белок, который
переносит протоны во
время илюминации.
АТФ синтаза
Две субъединицы Fo и F1
F1 содержит каталитические
субъединицы, где АДФ и Фн
связываются.
F0 пронизывает мембрану и
служит как протонный канал.
Энергия, которая
освобождаетсяться при “падении”
протонов используется для
синтеза АТФ.
Активный транспорт ATФ, AДФ и Pн через
внутреннюю митохондриальную мембрану
• АТФ должен транспортироваться в цитозоль, а АДФ и Фн - в
матрикс
• AДФ/ATФ переносчик меняет митохондриальное ATФ на
цитозольное АДФ
• Фосфат (H2PO4-) транспортируется в матрикс за механизмом
симпорта з H+.
• Переносчик фосфата снижает pH.
РЕГУЛЯЦИЯ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО
ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ
Сопряжение тканевого дихания с окислительным
фосфорилированием
Транспорт электронов тесно связан с фосфорилированием.
АТФ не может быть синтезирован путем окислительного
фосфорилирования если нет энергии освобожденной при
электронном транспорте.
Электроны не проходят через электрон-транспортную цепь
если АДФ не фосфорилируется к АТФ.
Основные регуляторы: НАДН, O2, AДФ
Внутримитохондриальное соотношение АТФ/АДФ является
контрольным механизмом
Высокое соотношение ингибирует так как АТФ
аллостерически связывается с комлексом IV
Дыхательный контроль
Регуляция скорости окислительного
фосфорилирования с помощью уровня АДФ
называется дыхат ельным конт ролем
Разъединение тканевого дыхания и окислительного
фосфорилирования
Внутрення митохондриальная мембрана содержит белок-
разъединения. Белок-разъединения образует канал для перехода
протонов из цитозоля в матрикс.
Разъединители
• Разъединителями являются жирорастворимые слабые
кислоты
• Разъединители снижают протонный градиент
транспортируя протоны через мембрану
2,4-Динитрофенол – эффективный разъединитель
Выход АТФ
12 протонов выкачиваются из матрикса во время транспорта двух
электронов от НАДН к O2 (комплекс I, III и IV).
3
4
4
2
Перенос 3H+ необходим для синтеза одной молекулы
АТФ АТФ-синтазой
1 H+ необходим для транспорта Фн.
4 H+ используется для каждой синтезированной АTФ
Для НАДН: 3 АТФ
Для ФАДН2: 2 ATФ